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第1章 跨尺度陶瓷组装：技术、挑战与机遇1

1.1 引言1

1.2 先进技术系统中的组装问题1

1.2.1 微电子和纳米电子1

1.2.2 能源2

1.2.3 航空和地面运输2

1.3 跨领域和跨尺度组装3

1.3.1 宏观组装的科学与技术3

1.3.2 发电装置和器件制造中的组装问题4

1.3.3 纳米尺度和生物系统的组装问题7

第2章 陶瓷组装部件的先进钎焊技术10

2.1 简介10

2.2 润湿性、残余应力和接头可靠性11

2.3 接头设计13

2.4 陶瓷基复合材料的连接16

2.4.1 Si3N4-TiN（质量分数为30％）的连接17

2.4.2 SiC纤维增强硅硼酸盐玻璃的连接21

2.4.3 莫来石-莫来石陶瓷基复合材料的连接22

2.5 总结23

致谢23

参考文献24

第3章 核工业中陶瓷基复合材料的连接及组装27

3.1 简介27

3.2 国际热核聚变实验堆27

3.2.1 陶瓷基复合材料的连接在ITER上的应用28

3.2.2 为什么ITER中使用C/C复合材料29

3.2.3 ITER中C/C复合材料连接的设计问题30

3.2.4 ITER中C/C复合材料的连接技术32

3.2.5 C/C-Cu接头的力学性能测试37

3.2.6 无损检测39

3.2.7 ITER中C/C-Cu界面热冲击和高热流测试41

3.2.8 欧洲联合核聚变反应堆42

3.2.9 JET中C/C复合材料的连接技术和设计问题43

3.2.10 总结44

3.3 ITER以外的聚变反应堆45

3.3.1 为什么选择SiC/SiC复合材料47

3.3.2 SiC/SiC复合材料的连接材料和连接技术48

3.3.3 连接的SiC/SiC材料特性52

3.4 CMCs在先进裂变反应堆中的应用53

3.5 总结54

致谢54

参考文献55

网络资源65

第4章 大气中钎焊：陶瓷-陶瓷和陶瓷-金属连接的新方法66

4.1 简介66

4.2 陶瓷钎焊的方法67

4.3 空气钎焊的概念69

4.4 空气钎焊钎料的设计：Ag-CuO体系71

4.4.1 相平衡72

4.4.2 基体的润湿73

4.4.3 接头强度81

4.4.4 推荐的空气钎焊条件87

4.5 Ag-CuO体系的成分改良88

4.5.1 使用金属Pd和Al进行合金化88

4.5.2 使用金属氧化物TiO2进行合金化91

4.5.3 添加难熔颗粒93

4.6 总结95

参考文献96

第5章 碳化硅陶瓷的扩散连接——复杂陶瓷构件的关键制造技术103

5.1 简介103

5.2 实验105

5.3 结果与讨论107

5.4 总结115

致谢115

参考文献115

第6章 C/C复合材料-金属热管理系统的组装技术118

6.1 简介118

6.2 用于热管理的材料119

6.3 C/C复合材料121

6.4 碳和C/C复合材料与金属的组装122

6.4.1 润湿性122

6.4.2 钎焊126

6.5 接头完整性、微观组织和组成129

6.6 C-C复合材料／金属接头力学性能131

6.6.1 接头强度和断口组织131

6.6.2 显微硬度133

6.7 热和热机械方面的讨论134

6.7.1 热膨胀失配及残余应力134

6.7.2 钎焊接头导热性136

6.8 总结和未来前景137

参考文献137

第7章 连接和组装过程中碳-金属体系间的相互作用141

7.1 简介141

7.2 与碳不反应的金属在石墨和金刚石表面的润湿141

7.3 第Ⅷ族金属在石墨上的润湿142

7.4 与碳接触的碳化物形成金属145

7.5 与碳不反应的熔体中添加碳化物形成金属后在石墨上的润湿149

7.6 熔体润湿固相时热力学和界面活性的相互关系151

7.7 含有反应和非反应金属添加剂的Ⅷ族金属熔体在石墨上的润湿性152

7.8 相图、硬化后界面结构和润湿等温线类型的关系159

7.9 高压环境对金属熔体在石墨和金刚石上润湿的影响160

7.10 总结162

参考文献164

第8章 陶瓷电路中铁氧体及功率电感器件的组装168

8.1 简介168

8.2 器件物理170

8.3 铁氧体的合成176

8.4 电磁特性177

8.5 嵌入式功率电感器181

8.6 多层陶瓷变压器184

8.7 总结189

致谢189

参考文献190

第9章 氧化物热电发电装置192

9.1 简介192

9.2 热电发电192

9.3 氧化物热电材料193

9.3.1 P型氧化物193

9.3.2 N型氧化物196

9.4 器件工艺学199

9.4.1 P型块体材料199

9.4.2 N型块体材料203

9.5 模块208

9.5.1 实验过程208

9.5.2 结果与讨论209

9.6 总结210

参考文献211

第10章 固体氧化物燃料电池（SOFC）及其他电化学发电装置的组装技术213

10.1 简介213

10.2 电化学反应器的基础214

10.2.1 电化学活性214

10.2.2 纳米结构控制对电化学反应的影响214

10.2.3 SOFC发展中电化学反应的控制及其应用215

10.2.4 电极支撑的薄膜电解质的结构控制217

10.3 SOFC及其相关研究与发展217

10.4 微型SOFC的发展218

10.4.1 研究背景218

10.4.2 微管状电池的制造219

10.4.3 小型高性能微燃料电池束的发展220

10.4.4 低温SOFC的发展和紧凑型模块的制造221

10.4.5 3D控制的微SOFC的发展：蜂窝状电化学反应器222

10.5 电化学DE-NOx反应器及清洁汽车技术的其他应用223

10.5.1 高性能电化学反应器的发展223

10.5.2 用于NOx/PM同时净化的电化学反应器的发展228

参考文献229

第11章 传感器组装技术232

11.1 简介232

11.2 微型点胶工艺233

11.2.1 喷墨和点胶器233

11.2.2 3D直写技术的适用性234

11.2.3 陶瓷浆料的流变特性234

11.2.4 浆料的流变性能235

11.2.5 沉积速率的监控235

11.3 装备制造236

11.3.1 电炉型微型装置236

11.3.2 微型二氧化锡气敏元件236

11.3.3 采用喷注器的TE气体传感器元件237

11.3.4 陶瓷触媒的沉积237

11.4 传感器性能238

11.4.1 触媒的尺寸和厚度238

11.4.2 陶瓷触媒的稳定长效性239

11.4.3 热电器件触媒239

11.5 总结241

参考文献241

第12章 功能复合材料和纳米光子及光电子器件的芯片集成243

12.1 单片集成电路243

12.1.1 对接接头生长243

12.1.2 选区生长244

12.1.3 偏移量子阱244

12.1.4 量子阱混合245

12.1.5 多步增长单片集成电路245

12.1.6 表面钝化和整平246

12.1.7 通孔和沟道金属互连247

12.2 纳米加工技术247

12.2.1 光刻248

12.2.2 扫描电子束光刻技术248

12.2.3 SPL249

12.2.4 连续图形结构表面249

12.2.5 并行表面图形化250

12.2.6 边缘光刻250

12.2.7 软光刻技术253

12.3 一般的自组装技术255

12.3.1 模板化的自组装256

12.3.2 化学辅助的组装258

12.3.3 干燥媒介（蒸发诱导）自组装259

12.3.4 磁、光或电导向的自组装259

12.3.5 分界面的自组装260

12.3.6 择形自组装260

12.4 SAMs261

12.4.1 SAMs基质类型261

12.4.2 从气体和液体装配的机制262

12.4.3 制备SAMs262

12.4.4 SAMs在现有纳米制造工业中的应用263

12.5 纳米晶体的组装264

12.5.1 外延生长自组织固态量子点264

12.5.2 胶体量子点的自组装264

12.5.3 聚合物控制纳米颗粒分布（根据聚合状态）266

12.5.4 自组装形成的单分散纳米晶体的二维和三维序列266

12.5.5 在自组装样品上吸附半导体纳米晶体的选择性266

12.5.6 Au纳米晶体／DNA结合物267

12.5.7 采用溶胶-凝胶包容复合疏水性二氧化硅纳米球267

12.5.8 多尺度自组装形成的分层冷光样品268

12.5.9 带有有机和无机组件的混合纳米复合材料的优点268

12.6 用直流电场形成纳米棒阵列268

12.6.1 纳米棒阵列269

12.6.2 电场中垂直导向超晶格纳米棒组装269

12.7 使用DEP和光电镊子（OETS）组装纳米结构270

12.7.1 DEP270

12.7.2 OETs272

12.8 纳米切割：制备纳米结构阵列的新方法272

12.8.1 纳米切割技术272

12.8.2 使用图形化的基板制造复杂的纳米结构273

参考文献274

第13章 化学气相沉积多功能复合热障涂层281

13.1 简介281

13.2 TBC过程282

13.3 常规CVD法高速制造涂层283

13.4 激光CVD法高速制造涂层287

13.5 总结291

参考文献291

第14章 金属互连界面的物理演变及可靠性293

14.1 简介293

14.2 互边失效概述293

14.2.1 腐蚀293

14.2.2 晶须形成294

14.2.3 小丘形成295

14.2.4 应力诱生空洞296

14.2.5 电迁移299

14.3 电迁移物理变化300

14.3.1 尺寸效应下金属电阻率的增加300

14.3.2 阻挡层尺寸303

14.3.3 扩散通道扩展的影响304

14.3.4 驱动力的演变306

14.3.5 电迁移失效统计学307

14.4 钎焊接头失效的物理变化310

14.5 总结311

参考文献311

第15章 可调微波器件中钛酸锶钡薄膜的集成317

15.1 简介317

15.2 基于可调谐微波应用的BST器件制造工艺318

15.3 BST：结构和性能320

15.3.1 晶体结构320

15.3.2 相变321

15.3.3 极化325

15.3.4 极化与频率325

15.3.5 电场对铁电材料的影响326

15.3.6 微观结构和点缺陷化学327

15.4 BST二极管技术328

15.5 BST薄膜的沉积技术330

15.5.1 CSD331

15.5.2 PLD331

15.5.3 RF磁控溅射332

15.5.4 MOCVD333

15.6 性能对BST薄膜的影响333

15.7 内扩散解决方法：纳米金刚石／Pt／BST结构336

15.8 总结338

致谢338

参考文献338

第16章 气溶胶沉积（AD）技术及其在微型器件组装中的应用345

16.1 简介345

16.2 AD法346

16.3 室温冲击固化348

16.3.1 室温下陶瓷颗粒的固化348

16.3.2 AD过程中冲击颗粒速度和局部温度的升高350

16.3.3 AD过程陶瓷膜的致密化机制351

16.3.4 运载气体的影响352

16.4 沉积特性和膜的图形化352

16.4.1 沉积率和原料粉末特性的影响352

16.4.2 陶瓷层的图形化特性353

16.5 其他类似方法及与AD法的对比355

16.5.1 基于固态颗粒碰撞的涂层工艺355

16.5.2 AD法与其他方法的对比356

16.5.3 AD膜的电性能357

16.6 设备应用357

16.6.1 用于抗等离子腐蚀工件的氧化钇AD膜357

16.6.2 压电器件中的应用359

16.6.3 高频装置中的应用359

16.6.4 光学设备中的应用361

16.7 总结362

致谢363

参考文献363

第17章 先进纳米组装方法：图案、定位及自组装368

17.1 简介368

17.2 陶瓷的纳米组装（NI）369

17.2.1 金属氧化物图案的SAM预处理369

17.2.2 非晶TiO2薄膜的LPP370

17.2.3 采用种晶层的锐钛矿型TiO2薄膜LPP372

17.2.4 采用选点消除法的锐钛矿型TiO2薄膜LPP373

17.2.5 采用钯催化剂的磁性颗粒薄膜的LPP375

17.2.6 晶体ZnO的LPP和形态控制376

17.2.7 氧化钇的LPP：Eu薄膜379

17.2.8 总结381

17.3 颗粒的纳米组装382

17.3.1 液体中胶体晶体的图案化382

17.3.2 胶体晶体和二维阵列的干法图案化387

17.3.3 胶体晶体的图案化以及双溶液法球面组装395

17.4 总结403

参考文献403

第18章 新型器件及电路中纳米线组装：进展与挑战407

18.1 简介407

18.2 一维纳米级建造模块：合成和生长机制408

18.2.1 合成方法408

18.2.2 生长机制415

18.2.3 一维半导体材料419

18.3 结构-性能表征以及二者的关系423

18.3.1 对一维结构的研究423

18.3.2 依赖于尺寸及形状的物理性质428

18.4 纳米器件结构的开发432

18.4.1 场效应晶体管器件制备432

18.4.2 纳米线元件集成为复杂的纳米器件结构434

18.5 总结437

致谢439

参考文献439

第19章 纳米结构设计中类金刚石的组装（类金刚石薄膜的微纳制造）459

19.1 微纳机械器件基础459

19.2 DLC的性能和准备461

19.2.1 DLC薄膜：制备462

19.2.2 DLC薄膜：材料性能463

19.3 DLC机械设备：制造和性能468

19.3.1 图案化生长提拉制备DLC微机械设备468

19.3.2 通过聚焦离子束刻蚀技术制备DLC微纳机械设备471

19.3.3 FIB辅助CVD法制备DLC纳米结构473

19.4 DLC微纳结构发展前景474

致谢474

参考文献474

第20章 一维陶瓷纳米线的合成、性能、组装及应用478

20.1 简介478

20.2 垂直取向陶瓷纳米结构合成方法479

20.2.1 无模板辅助合成法479

20.2.2 模板辅助法480

20.3 1D纳米结构的特性483

20.3.1 NCs483

20.3.2 纳米微粒和纳米线的维度效应484

20.3.3 1D金属氧化物的物理性质485

20.3.4 1D纳米结构的机械特性488

20.4 纳米线的综合应用与设备组装489

20.4.1 FET489

20.4.2 光电器件490

20.4.3 传感器490

20.4.4 纳米发电机491

20.4.5 太阳电池491

20.4.6 燃料电池492

参考文献492

第21章 基于薄膜技术的纳米组装技术499

21.1 简介499

21.2 纳米结构的自发有序化499

21.3 应用模板法与筛选法的自组织过程505

21.3.1 VLS生长505

21.3.2 图案化技术505

21.3.3 光刻和电子束刻蚀506

21.3.4 纳米光刻技术506

21.3.5 纳米线电子学508

21.4 总结509

参考文献509

第22章 纳米线规模化集成的发展及挑战513

22.1 简介513

22.2 纳米线制造514

22.3 纳米线的排列和定位516

22.3.1 微流体通道组装516

22.3.2 电泳组装517

22.3.3 朗缪尔-布罗杰特组装517

22.4 纳米线的互连518

22.4.1 纳米线连接方法519

22.4.2 常用方法连接纳米线的性能519

22.5 桥接纳米线519

22.5.1 两垂直平面间的纳米桥接520

22.5.2 两水平面间的纳米柱廊522

22.5.3 桥接纳米线的力学性能522

22.5.4 桥接纳米线的接触性能525

22.6 总结525

致谢525

参考文献525

第23章 微电子电气互联、电子封装、系统集成中喷墨打印技术及纳米材料的应用529

23.1 简介529

23.2 印刷电子与喷墨印刷技术529

23.2.1 印刷电子529

23.2.2 喷墨印刷技术530

23.3 纳米颗粒及其在喷墨印刷技术中的应用532

23.3.1 简介532

23.3.2 纳米颗粒在喷墨打印技术中的应用532

23.3.3 纳米颗粒油墨的喷墨印刷要求535

23.3.4 喷墨印刷油墨的未来发展趋势535

23.4 喷墨印刷在微电子领域的应用537

23.4.1 电子产品的喷墨印刷技术537

23.4.2 微电子技术的应用537

23.4.3 喷墨印刷技术面临的挑战540

23.4.4 电子产品生产中的激光烧结与对流炉烧结541

23.5 可印刷电子技术的环境因素543

23.5.1 简介543

23.5.2 喷墨印刷面临的环境问题543

23.5.3 喷墨印刷的环保优势544

23.5.4 从环保的角度选择材料545

23.5.5 喷墨打印的总体环境效率545

23.6 总结546

参考文献546

第24章 人工器官的生物组装552

24.1 简介552

24.2 骨骼的组织552

24.3 用于人工关节的陶瓷553

24.4 用于骨骼替代物的陶瓷555

24.5 生物活性陶瓷与活体骨骼的生物组装556

24.5.1 人工材料形成磷灰石的要求557

24.5.2 磷灰石形核的有效官能团558

24.5.3 生物活性金属559

24.5.4 生物活性陶瓷-聚合物复合材料561

24.5.5 生物活性无机-有机复合装置562

24.5.6 生物活性水泥564

24.6 总结565

参考文献565